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Zylinderkopfumbau

 

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Einleitung

Wer kennt das nicht, der Motor wurde aufgebohrt und nun muss der Zylinderkopf nachbearbeitet werden, der Motor wurde neu aufgebaut und der Kolben schaut oben aus dem Zylinder oder ganz einfach - der Motor braucht etwas mehr "Dampf". Für diese und andere Umstände ist es nötig den Zylinderkopf anzupassen und diese Anpassung übernehme ich gerne als konstruktive Dienstleistung. 

Egal ob die Maschine auf der Straße, im Straßen- oder im Geländerennsport bewegt wird, die Leistungsausbeute kann durch einen entsprechend gestalteten Brennraum erhöht werden. Dafür sorgen:

    • mehr Turbulenz durch eine engere Quetschkante
    • weniger Spülverluste bzw. geringeren Restgasanteil durch einen weiten flachen Brennraum
    • weniger Wandwärmeverluste durch glatte Oberflächen

Die zwei häufigsten Anlässe der Zylinderkopfbearbeitung sind:

Verdichtungserhöhung

    • meist zutreffend für Serienfahrzeuge und Oldtimer
    • Verdichtungsverhältnis hier zwischen 6 und 10
    • Ursache liegt bei hoher geforderter Motorlaufzeit
    • oder begründet durch geringe Klopffestigkeit der Kraftstoffe vergangenener Jahrzehnte

Verdichtungsabnahme

    • Bohrung wurde vergrößert nun passt der Brennraum weder zum Kolben noch zur Bohrung
    • ungünstige Toleranzen und Auslegung von Tuningteilen führen zu hohen Triebwerksbelastungen
    • steiler Leistungsanstieg gepaart mit schlechtem Überdrehverhalten
    • einfach zu viel Hitze

Wie ich hier konstruktiv vorgehe erkläre ich im nächsten Abschnitt.

 

Die Berechnungsmethodik bis zum angepassten Brennraum

Grundlage für jede Arbeit am Zylinderkopf ist die Festellung des IST-Zustandes oder das Messen aller beteiligten Bauteile. Hierzu zählen der Zylinder, der Zentrierbund, die Kopfdichtung, der Kolben, die Zündkerze, der Kurbeltrieb und der Einsatzzweck des Motors etc. Für Auftragsarbeiten habe ich ein Datenblatt geschrieben was mir als Berechnungsgrundlage dient, falls ich nur den einzelnen Zylinderkopf ohne den gesamten Motor vorliegen habe.

Nachdem ich alle Daten zusammengetragen habe oder komplett ausgefülltes Datenblatt gemailt wurde, lege ich zunächst denQuetschflächenanteil aus. Hier empfiehlt sich als guter Startwert 50% für völlig neue Brennräume. Bei Umarbeitungen von bestehenden Zylinderköpfen muss oft ein Kompromiss gefunden werden, weil nicht genügend Material zur Verfügung steht.

Danach lege ich die Größe der Quetschspalte aus. Eine Daumenregel für den Quetschspalt lautet für Wettbewerbsmotoren: Quetschspalte beträgt 1% vom Hub des Motors und für Straßenmotoren 2% vom Hub des Motors, damit ergeben sich ohne Berechnung vertretbare Quetschgeschwindigkeiten. Generell kann je nach Steifigkeit oder Verschleißzustand des Kurbeltriebs ein enger oder weiter Quetschspalt gefahren werden, denn bei einem engen Quetschspalt in Verbindung mit verschlissenen Pleuellagern und hohen Drehzahlen "klopft" der Kolben beim Gaswegnehmen gerne am Zylinderkopf an. Als Indiz findet man blanke beziehungsweise "bereinigte" Kreisringflächen auf dem Kolben oder erleidet gar einen Motorschaden.

Zwei Beispiele für den Quetschspalt in Abhängigkeit vom Hub:

Ein 50cm³ Straßenrennmotor mit 39,4mm Hub sollte nach der 1% Regel mindestens 0,4mm Quetschspalt haben - das ist für den Hobbybereich bereits sehr eng, üblicher sind Werte von mindestens 0,45mm bis 0,6mm.

Ein 250cm³ Straßenmotor mit 65mm Hub sollte nach der 2% Regel mindestens 1,3mm Quetschspalt haben - da bei solchen Motoren sehr steife Kurbeltriebe üblich sind kann man jedoch mit 1,1mm Quetschspalt schadenfrei fahren.

Die Quetschgeschwindigkeit berechne ich mit der nützlichen Bimotion Head Software. Meine Erfahrungswerte für die Quetschgeschwindigkeit sind für Wettbewerbsmotoren 25 bis 35 m/s und für Straßenmotoren 20 bis 25m/s. Mit steigendem Quetschflächenanteil steigt bei konstantem Quetschmaß die Quetschgeschwindigkeit. Genauso gilt das bei abnehmenden Quetschmaß und konstantem Quetschflächenanteil wodurch die Quetschgeschwindigkeit ebenso zunimmt.

Hieraus ergeben sich für Kopfbearbeitungen zwei ungünstige Konstellationen:

Fall 1 wäre ein hoher Quetschflächenanteil (z.B. 60%) gepaart mit einem sehr tiefen Brennraum (niedrige Verdichtung).  Hier würde ich zunächst den Quetschflächenanteil auf 55 bis 50% reduzieren, wobei die Verdichtung noch weiter sinkt, weil der Brennraum größer wird.  Um nun auf eine Verdichtung von etwa 11 zu kommen müsste nun verhältnismäßig viel Material am Kopf abgetragen werden. Oft ist das so nicht umsetzbar weil man entweder den Wassermantel durchbricht oder eine Motorhalterung am Zylinderkopf nicht mehr an den Rahmen montiert werden kann. Abhilfe wäre entweder nur die Quetschfläche ohne den Brennraum zu bearbeiten oder ganz elegant einen Brennraumeinsatz (Brennraumkalotte) einzusetzen.

Fall 2 wäre ein sehr geringer Quetschflächenanteil (z.B. 40%) gepaart mit einem sehr flachen Kalotten-Brennraum, das ist oft bei Scooter Zubehörtuningteilen Stand der Dinge. Hier kann bei einigen Modellen nichts an der Gesamthöhe der Kalotte verändert werden, weil die Kalotte zusammen mit der Wasserhaube den Kühlkreislauf abdichten muss. Deshalb bleibt meistens nur die Möglichkeit den Brennraum tiefer zu drehen, um die Verdichtung zu vermindern und mit dem niedrigen Quetschflächenanteil zu leben. Es muss allerdings ein Distanzring unter die Kerze geschraubt werden weil durch den Materialabtrag die Kerzengewindelänge reduziert wurde - die Kerze würde ohne Distanzring sonst in den Brennraum ragen!  

Die Form und den Winkel der Quetschfläche gibt grundsätzlich der Kolben vor, weil die Kolbenwölbung den Öffnungswinkel zwangsweise bestimmt. Ist die Quetschfläche als Kegel (linearer Querschnitt) hergestellt öffnet sich die Quetschspalte nach innen in Richtung Brennraum, je nach Kolbenwölbung fällt die Öffnung größer oder kleiner aus. Einzig bei einer gewölbten Quetschfläche (gleicher Radius wie die Kolbenkrone) lässt dich der Quetschsspalt konturparallel also mit konstanten Quetschmaß ausführen. Schlussendlich erreiche ich über die Variation von Brennraumhöhe und Radius des Brennraumdoms das Verdichtungsziel, ohne die Eigenschaften der Quetschkante zu ändern.

 

Das Datenblatt zur Anfrage

Das neue Datenblatt zur Anfrage habe ich als Excel-Dokument HIER abgelegt und als PDF-Dokument HIER. Anfragen zu Zylinderköpfen aus dem Shop von ORP bestellt Ihr bitte dort direkt.

 

Die Skizzen aus dem Datenblatt und deren Abmessungen

Um das Datenblatt für die Kopfbearbeitung korrekt auszufüllen benötigt man neben den technischen Daten des Motors die folgenden Abmessungen:

- A - Quetsch- bzw. Brennraumdurchmesser

- B - aktuelles Quetschmaß (obsolet für Kopfumbauten nach Hubraumänderungen)

- C - Überhöhung Dichtfläche zur Rohkontur

- D - Kopfhöhe bzw. Brennraumtiefe

- E - Kolbenwölbung

- X - Zentrierbundhöhe

- Y - Zentrierbunddurchmesser

- Z - Kolbenstellung in OT relativ zur Dichtfläche des Zylinders (positive Werte für Überstand, neagtive für Unterstand)

 

Die kommenden Abbildungen erläutern diese Abmessungen:

Die Zylinderkopfskizze wurde mittels Schnitt durch das Kerzenloch erstellt.

Zylinderkopf Abmessungen

Kolbenskizze zur Erläuterung der Kolbenwölbung

Kolben Abmessung E

Die Skizze links zeigt die beiden Abmessungen die zum Zentrierbund benözigt werden. Die Skizze X1 rechts dient der Erläuterung der Kolbenstellung in OT. Alle Abmessungen beziehen sich auf die Dichtfläche und den Kolbenrand.

 

Kolbenstellung OT Abmessungen

 

Tipps zum Messen

Zur Erläuterung folgen einige Bilder. Zunächst das mögliche Messzeug: Tiefenmaß, Messschieber und Fühlerlehre, damit lassen sich alle relevanten Maße erfassen.

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Zur Erfassung der Kolbenstellung in OT (Maß Z) kann man entweder mit dem Messchieber oder mit der Fühlerlehre direkt an der Buchse den Kolbenüber- bzw. Kolbenunterstand messen. Ein Überstand bekommt ein positives Vorzeichen und ein Kolbenunterstand bekommt ein negatives Vorzeichen. In den beiden dargestellten Bildern wird auf den Zentrierbund (ZB) referenziert die Kolbenstellung bezieht sich allerdings auf die Dichtfläche, weshalb man über die Zentriebundhöhe grundsätzlich auf die Dichtfläche zurückrechnen muss. So kann der Kolben zwar wie im Bild unter dem ZB stehen aber trotzdem über der Dichtfläche.

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In den folgenden beiden Bildern wird am gleichen Motor die Meßmethode mit der Fühlerlehre demonstriert, was sich besonders bei eingebauten Motoren anbietet bei denen man nicht genug Platz unter dem Rahmen zum Messen mit dem stehenden Messchieber hat. Hierzu packt man so lang Messzungen aufeinander bis man einen glatten Übergang zur Messfläche "fühlt". Dann summiert man alle Messzungen zum "Messwert" auf. Diese Methode sieht zugegeben abenteuerlich aus, funktioniert aber sehr exakt und birgt einen geringeren Messfehler.

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Zur Ermittlung der Höhe der Kolbenwölbung (Maß E) wird quer über den Zylinder eine geeignete Leiste gelegt und der Kolben mit der Kolbenkrone vorsichtig an die Leiste bewegt. Nun wird analog der vorhergehenden Bilder der Abstand zur Bezugskante gemessen. Dieser Messwert entspricht der Kolbenwölbung, genauer gesagt misst man mit dieser Methode die Höhe des Kreisbogensegments. Zusammen mit dem Bohrungsdurchmesser kann ich nun auf den Radius der Kolbenkrone zurückgerechnen. Diese Messung ist besonders wichtig für eine im Winkel oder in der Form korrekt ausgeführte Quetschspalte.

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Beispielbilder und weitere Maßnahmen nach dem Kopfumbau

Kolbenunterstand

Dieses Bild zeigt einen Motor bei dem der Kolben in OT unter der Dichtfläche steht. Die Angabe vom Z Wert ist in diesem Beispiel mit dem Vorzeichen MINUS anzugeben. Die zugehörige Brennraumkalotte steht in den Brennraum hinein. Ein Zentrierbund ist hier überflüssig, weil die Kalotte sich bereits selbst an der Bohrung zentriert.

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Kolbenüberstand

Dieses Bild zeigt einen Zylinder bei dem der Kolben in OT über der Dichtfläche geschoben wurde. Die Angabe vom Z Wert wäre in diesem Beispiel mit dem Vorzeichen PLUS anzugeben. Die zugehörige Brennraumkalotte wäre hier tief eingestochen und muss im größten Innendurchmesser entsprechend größer als die Bohrung sein. Das ist von Nöten, damit die Kolbenkrone genug Platz hat und nicht umlaufend anschlägt. Der Zentrierbund liegt in diesem Fall ganz außen am Zylinder, die Kalotte wird hier indirekt durch die Wasserhaube geführt.

Kolbenueberstand KTM85SX

 

Einschraubtiefe der Kerze korrigieren

Um einen sauberen Übergang zwischen Brennraum und Kerzenrand zu erreichen muss die Einschraubtiefe der Kerzen korrigiert werden. Wenn die Kerze zu weit in den Brennraum ragt, sollte ein weiterer Dichtring unter die Kerze gelegt werden bzw. eine Büchse angefertigt werden, damit die Kerze bündig abschließt. Diese Abbildung zeigt wie es NICHT aussehen sollte.

Zylinderkopf 023

 

Quetschspalt genauer messen

Um den Quetschspalt korrekt zu messen ist es nötig bei der Messung das Kolbenkippeln zu berücksichtigen. Bei großen Kolbenkonizitäten kann man sich bei der Quetschspaltmessung mit nur eine Stück Lötzinn um mehrere Zehntel Millimeter vermessen. Ich empfehle deshalb so wie auf der Abbildung mit gekreuztem Lötzinn an vier Punkten zu messen.

Zylinderkopf 024

 

Nochmal der Weg zum Datenblatt:

Excel- Dokument HIER 

PDF- Dokument HIER